实验教学与核心概念教学的有效链接

吴红漫

摘 要 以“细胞增殖”教学为例，从分析教学现状入手，阐述如何基于学生前概念，完成预实验、设计观察实验、分析实验结果、获得事实性知识、建构核心概念的过程。

关键词 细胞增殖前概念建构 核心概念

中图分类号 G633.91 文献标志码 B

文件编号： 1003 - 7586（2016）06 - 0042 - 03

生物学科核心概念是指生物学课程中超越具体、事实性知识的概念，是具有统摄一般概念和事实性知识的概念，对核心概念的学习是学生学习活动的重中之重，提高核心概念教学的有效性是高中生物教学的核心话题。研究表明大多生物学概念的形成离不开实验论证，所以创设实验情境，让学生设计、观察、分析和实施相应实验，逐步完成核心概念的建构，能帮助学生理解概念的本质，有事半功倍之效。

下面以“细胞增殖”的教学过程为例，阐述如何实现“实验教学”与“核心概念教学”的有效链接。“细胞增殖”是高中生物课程中的核心概念，通常的教学设计是先学习细胞分裂的相关知识，再进行观察细胞的有丝分裂的实验。笔者尝试设计系列探究和观察实验，采用组织学生进行课前准备实验、课中设计实验和边进行实验边归纳概念的教学策略，引导学生逐步完成细胞增殖概念的学习。

1 教学现状分析与教学策略确定

1.1 理解课标要求，确定教学思路

《普通高中生物课程标准（实验）》对于“细胞增殖”教学提出的具体内容标准是：简述细胞的生长和增殖的周期性；观察细胞的有丝分裂并概述其过程。

本节教学思路为：组织学生在进行“观察细胞的有丝分裂过程系列实验及过程分析”的基础上，使其逐步构建“细胞有丝分裂”“细胞增殖”的概念，帮助学生理解“什么是有丝分裂？”“细胞周期的含义”、“动、植物细胞有丝分裂的异同”“有丝分裂在细胞生命历程中的地位和作用”，从而达到“简述细胞周期、概述有丝分裂过程”的学习目标。

1.2 分析教材地位，确定教学重点和难点

必修一第5章“细胞增殖”一节，是“细胞生命历程”教学的开篇内容，有细胞的亚显微结构和细胞代谢的知识作铺垫为细胞分化、衰老、癌变、凋亡、减数分裂、染色体变异、免疫、细胞工程等知识作准备，因此这个概念的学习对学生理解前后相关知识很关键，既是细胞结构知识的深化和应用，又是今后学习细胞功能及细胞发展变化的基础。

因而将本节课教学重点确定为：细胞生长与分裂在个体生长中的作用；有丝分裂细胞周期的定义、阶段、变化和特点；植物和动物细胞有丝分裂过程中的细胞形态、结构的变化，以及各个时期染色体行为和数量的变化、DNA数量变化；细胞增殖的种类和意义。其中有两个教学难点：① 如何理解细胞周期？② 归纳出有丝分裂中染色体、DNA的变化规律。

1.3 引伸学生“前概念”，设计实验内容

常见教学设计是以细胞分裂的模式图解为主要学习资料，教师通过分析图解中细胞分裂的染色体、细胞形态等变化，配合适当的模型建构活动，完成概念教学。实践中发现，高一学生具备一定的初中生物学知识和高中细胞学知识，对细胞增殖内容存在前概念，教师通过问题呈现与启示，激发学生的认知冲突，创设实验情境，设计学生实验如表1。让学生在前概念的基础上，设计和完成相应实验，自主建构“细胞增殖”的新概念，既培养学生实验探究能力，更学生全面认识和深入理解“细胞增殖”核心概念。具体设计见表1。

2 教学实例及分析

奥苏伯尔认为学生获得概念主要有两条途径，即概念形成和概念同化。概念形成是指学生从大量的同类事物或现象的不同例证中独立发现共同的本质特征，获得概念的初级形式。概念同化是学生利用认知结构中原有的有关概念学习新概念的方式，是获得概念的主要形式。细胞增殖的概念教学就是让学生在实验过程中发现细胞增殖的本质，并利用原有的前概念，通过对比、分析、论证和归纳，完成概念的形成与同化。

2.1 布置预实验，探究植物生长的“根源”

以洋葱根尖有丝分裂为例，课前布置学生做准备实验——“水培根尖”，并提出问题：根尖为什么会生长？

教学过程如下：每人1个洋葱鳞茎，标明实验时间；去掉老根，切掉基部腐烂层，打破休眠；将洋葱放在直径合适的烧杯口上，洋葱底部接触水面；放置室外温暖、有阳光处，培养4～7 d；记录生根情况，并拍照。

结果展示：有的洋葱长出比较多的“白胡须”状的须根，有的只长了一圈或没有长出。

结果分析：有的学生在切掉基部腐烂层时，切的过多，破坏了根原基，没有了根部分生组织，无法生根。

由此学生得出了结论：植物的生长主要是通过尖端分生组织的细胞分裂和生长实现的，观察细胞增殖过程的实验材料是根尖。

2.2 讨论实验设计，指导制作根尖临时装片

运用问题链的逐层提问与提示，师生共同研讨，设计出“制作洋葱根尖临时装片”的实验方案，然后将预实验水培的根尖制成装片，研究根尖细胞不同区域的细胞。师生讨论过程简录：

师：我们都切取0.5 cm根尖（不是2～3 mm），怎么看到细胞？

生：放在显微镜下。

师：直接放？显微镜下能看到吗？根近于圆柱体？

生：压平成一薄层，便于光线透过。（初中显微镜技能）

师：你压一下。（提供载玻片、盖玻片、根尖）

生：压碎了。（动手操作）

师：需解离。（展示初中教材胞间连丝图片，并介绍解离的原理、试剂、用法等）。

师再问：解离后就能看清细胞变化吗？

生：染色。

师：给什么染色？什么是染色体和染色质？（介绍染色的原理、方法等）

生：给染色体（质）染色，要看到细胞形态、大小变化及染色体形态和数目的变化，需制作根尖临时装片，即解离→漂洗→染色→压片后才能镜检。（学生完成装片制作）

将学生制作装片实验安排在学习分裂各时期特点之前，目的是让学生能用自己制作的装片进行观察，体验科学家发现问题并解决问题的过程。

2.3 指导显微观察，启迪发现细胞分裂的作用

以往的教学中，教师会直接告诉学生，取根尖2～3 mm观察，找到分生区细胞观察，这样容易出现一些问题。例如学生初中知识遗忘了，不能区分成熟区和分生区细胞，或在成熟区寻找细胞分裂相。从认知水平的角度看，学生是没有理解根尖为什么会生长？根尖生长的细胞学基础是什么？因此在指导显微观察中，需要帮助学生完善对根尖生长的认识。

教师指导学生观察装片简述：①取0.5 cm根尖制作临时装片；②低倍镜观察，找到根尖的根毛区、伸长区、分生区（生长点）、根冠；③高倍镜观察，对比四区细胞形态、长短、结构的差异，找到正在分裂和生长的细胞；④去发现伸长区细胞生长现象明显，分生区有的细胞正在分裂。

提出问题：根尖生长主要取决于伸长区细胞生长还是分生区细胞增殖？

通过师生共同观察与分析，引导学生得出结论：细胞不能无限长大；根尖生长与细胞生长和分裂都有关，主要取决于细胞分裂；观察细胞分裂的部位是根尖分生区，不用取材0.5 cm，只需取2～3 mm。

2.4 对比排序不同分裂相，完善细胞周期的概念

“细胞周期”是学生学习的难点问题，难在3处，主要采取3方面的教学策略。

难点之一是学生几乎无法真实观察到细胞连续分裂的动态过程，影响学生对“细胞周期”概念内涵的理解。教学中通常通过动画、模型展示“一次分裂完成开始，到下一次分裂完成为止为一个细胞周期”的过程。

本节课从观察“自制分生区细胞装片”出发：首先指导学生观察装片，从细胞形态、细胞大小、细胞核有无、染色质多少、染色体位置等方面充分描述不同细胞分裂相的特征；然后将相同细胞分裂相归类、排序，从而分辨细胞周期的间期和分裂期的前、中、后、末4个时期。例如：有一类细胞数目很多，都有一个细胞核、有明显核仁、核占体积比很大；有几个细胞很特殊，深色的染色体集中在细胞中央；有几个细胞的染色体到细胞的两极等；再指导学生排出3-5类细胞出现的前后顺序，排列出细胞分裂时期。最后教师点拔学生认识到，观察到的是细胞解离杀死后，固定在不同的分裂时期的“相”，不能看到每个细胞分裂动态过程；一个细胞的分裂历程，就构成一次细胞周期，它与时间周期、时钟周期、钟摆周期等的本质区别，就是细胞结构的周期性改变；不同类型的细胞表示它们分别停留在不同分裂时期，这些时期被依次人为地划分为间期和分裂期，分裂期又依次被人为划分为前期、中期、后期和末期；区分不同时期的依据主要是细胞核中染色体的变化，为学生归纳不同时期细胞的染色体、染色单数、DNA分子形态数目等变化，从而突破教学难点，引导学生从分子水平和细胞水平理解细胞周期，并为建构相应数学模型打下基础。

难点之二是学生容易对细胞周期的时间分配产生误解，只关注细胞数目以指数函数的形式递增，而忽略分裂间期的实质变化和重要作用，因为相关动画、模型的连续播放让学生容易产生没有间期或间期很短的错觉。本节课是通过指导学生观察比较不同分裂相的细胞数目的多少来突破此难点的。学生会发现最多的是间期细胞，最少的是中期细胞，说明什么？间期本质是发生在准备期，完成了染色体复制过程，经历时间最长，而中期是分裂期中时间最短的，使学生从物质变化的角度认识到细胞周期的本质，即细胞中遗传物质复制后平均分配的、周而复始的过程。从实验方法的角度，也让学生知道通过“数目占比”推算“时间分配”是实验分析中的常用方法。

难点之三是细胞周期什么时候开始？什么时候停止？学生对细胞周期外延的理解容易停留在周期性分裂的层次，对细胞为什么分裂、分裂后“去哪儿了”等不作深入思考。本节课通过组织学生观察根尖的根冠、分生区、伸长区、成熟区的细胞图像，引导学生从生物学事实中发现问题，如：不是所有细胞都在分裂；形成的子细胞有的继续分裂，有的发生分化等，这样形成对细胞周期更完整的认识。

2.5 展示模拟分裂过程，归纳有丝分裂概念

囿于学生观察自制的洋葱根尖分生区细胞显微图像的清晰程度不够，学生由此归纳细胞中染色体等变化规律有困难，因此用模拟动画和相应图片辅助学生观察有丝分裂过程中细胞各部分结构的变化。教师引导学生在实物观察的基础上，将自制显微图像与模拟图片相对比，更容易找出各时期的特征。从以下四个角度归纳建构有丝分裂的概念，包括“丝”的含义、来源和变化规律；染色体数量、运动、形态的变化规律；DNA、染色单体、着丝点数量等变化规律；动物和植物细胞中核膜、核仁、细胞器等亚显微结构的变化规律。

3 实验教学辅助概念教学的教后反思

3.1 融入探究理念

在观察根尖、制作装片、对比分裂相等系列实验过程中，让学生获得了丰富的事实性知识，基于观察逐步深入探究，更有助于建构概念。

3.2 借助前概念引伸

学生已形成的前概念是新概念形成的基础，也可能成为新概念形成的障碍，充分利用前概念引导学生设计实验、观察分析，能够丰富学生前概念，也能纠正概念误区，从而建构新概念，为形成更上位的概念打好基础。

3.3 还原实验初衷

教师要重视学生实验，在做中思、做中学，不能停留在“重在参与”的层次，更要注重实验中的问题提出、目标确定、方案设计、过程分析和结论产生，使学生最终形成对相应生物学概念的认识。培养学生从实践中发现真理，从实验中形成概念，这正是实验教学的初衷，提高学生的生物科学素养，使其受益终生。